Державний університет інформаційно-комунікаційних

технологій

УДК 62-55:681.515

Францевич Оксана Миколаївна

Математичні моделі адаптивного радіоканалу зв’язку з системами регулювання потужності передавача на базі нечіткої логіки

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Держкомзв’язку України.

Науковий керівник - заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Гостєв Володимир Іванович,

Державний університет інформаційно-

комунікаційних технологій, завідувач

кафедри комутаційних систем.

Офіційні опоненти - заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Зайцев Григорій Фролович,

Державний університет інформаційно-

комунікаційних технологій,

професор кафедри радіотехнологій.

- кандидат технічних наук

Коробко Володимир Васильович,

Київськоа обласна дирекція

ВАТ “Укртелеком”, директор.

Провідна установа - Севастопольський національний технічний університет

Захист відбудеться “23” червня 2005 р. о “14.15” на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій Держкомзв’язку України за адресою: 03110, м.Київ, вул. Солом’янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м.Київ, вул. Солом’янська, 7, ДУІКТ.

Автореферат розісланий “ 19 ” травня 2005 р.

Вчений секретар Кунах Н.І.

спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Практично всі радіоканали зв’язку підлягають впливу замирань, що є основною перешкодою для високоякісного та надійного передавання сигналів. Одним із ефективних методів боротьби із замираннями сигналів є метод адаптивного прийому, коли для передавання інформації про стан прямого тракту та відповідної зміни параметрів сигналу передавання використовується канал зворотнього зв'язку. В радіосистемах тропосферного радіозв'язку найбільш часто використовується автоматичне регулювання потужності передавача (АРПП) в прямому радіоканалі зв'язку, для чого використовується звортній канал радіоуправління. Прямий канал радіозв'язку разом із зворотнім каналом радіоуправління утворюють замкнуту систему автоматичного управління – систему АРПП. Такі системи описані в ряді вітчизняних та зарубіжних робіт, але аналіз і синтез систем на основі теорії автоматичного управління у відомій літературі відсутній.

Враховуючи той факт, що системи АРПП є суттєво нестаціонарними, що обумовлено такою нестаціонарною ланкою як середовище розповсюдження радіохвиль, та нелінійними, в першу чергу за рахунок механізму перестроювання потужності передавача, для підвищення якості таких систем необхідне застосування спеціальних регуляторів. Для нестаціонарних та нелінійних об’єктів управління досить ефективними є нечіткі (що працюють на базі нечіткої логіки) регулятори. Синтез та дослідження методом математичного моделювання систем АРПП з нечіткими регуляторами, які забезпечують необхідну якість цих систем, є актуальною та практично важливою задачою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям наукових досліджень безпосередньо пов'язаний з тематикою науково-дослідних робіт, що проводяться у 2003-2005 роках в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій, а також випливає із задач у сфері науки і техніки, сформульованих у „Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України №223/8 від 09.12.1999р.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні якості (зменшенні динамічних похибок і підвищенні швидкодії) цифроаналогових адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП шляхом застосування цифрових нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів.

Об'єктом дослідження є адаптивні радіоканали зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, а предметом дослідження - підвищення динамічної точності і швидкодії систем АРПП за рахунок використання цифрових нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів. Предмет дослідження визначає тему дисертаційної роботи, яка полягає в розробці математичних моделей адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, включаючи синтез нечітких регуляторів і дослідження методом математичного моделювання розроблених моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із синтезованими регуляторами, які забезпечують потрібну якість систем.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язувалися наступні основні науково-технічні задачі:

- розробка математичних моделей адаптивних радіоканалів зв'язку – фазі-систем (систем з нечіткими регуляторами) автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, а також моделей замирань як мультиплікативних так і адитивних завад;

- удосконалення методики параметричного синтезу нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів на основі математичної теорії нечіткої логіки і розробка основної моделі нечіткого регулятора з описом її функціонування;

- проведення досліджень розроблених моделей адаптивних радіоканалів зв'язку із синтезованими регуляторами, які забезпечують необхідну якість систем, шляхом математичного моделювання з використанням інтерактивної системи МАТLAB.

Методи дослідження. Дисертаційні задачі розв'язувалися із використанням загальних методів теорії аналогових, дискретних та цифрових систем автоматичного управління, зокрема, методів оптимізації, методів перетворення Лапласа і z-перетворення, а також математичних апаратів нечіткої логіки та інтерактивної системи МАТLAB.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації отримані наступні наукові результати:

- розроблені математичні моделі адаптивних радіоканалів зв'язку – фазі-систем (систем з нечіткими регуляторами) автоматичного регулювання потужності передавача АРПП;

- удосконалена методика параметричного синтезу нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів;

- на основі запропонованої методики синтезу нечітких регуляторів в інтерактивній системі MATLAB для фазі-систем автоматичного регулювання потужності передавача АРПП розроблена основна модель нечіткого регулятора з описом її функціонування і шляхом моделювання фазі-систем отримані оптимальні параметри нечітких регуляторів, при яких системи забезпечують максимальну динамічну точність та швидкодію;

- вперше представлені результати досліджень методом математичного моделювання адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, які включають нечіткі регулятори.

Практичне значення отриманих результатів. На основі наукових результатів, які отримані в дисертаційній роботі, можна проектувати мікропроцесорні адаптивні радіоканали зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, які забезпечують досить високу точність відпрацювання довільних вхідних впливів за рахунок використання синтезованих нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) цифрових регуляторів. Практичну цінність представляє методика параметричного синтезу нечітких цифрових регуляторів.

Результати дисертаційної роботи використані при проектуванні радіотехнічних пристроїв на підприємстві ВАТ “Олімп”, м. Світловодськ Кіровоградської області, (протокол №1 від 10.01.2005р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертаційні роботі особистий внесок автора полягає у самостійному виконанні теоретичної і експериментальної частин роботи та інтерпретації одержаних результатів. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано здобувачем особисто. В опублікованих роботах в співавторстві здобувачем одержані наступні результати: в [1] розроблені та досліджені елементи структури адаптивної радіолінії зв’язку; в [2] запропонований спосіб і виконана оцінка робастності систем автоматичного управління адаптивним радіоканалом зв’язку; в [3] розроблені і досліджені математичні моделі систем автоматичного регулювання потужності передавача в радіоканалі зв’язку при мультиплікативних і адитивних завадах; в [4] запропановані пристрої імітації завадового стану та його аналізу для фазі-системи автоматичного управління адаптивним радіоканалом зв’язку; в [5] досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу систем АРПП; в [6] вирішена та оптимізована задача синтезу нечіткого регулятора по викладеній методиці; в [7] досліджені процеси в системі автоматичного управління адаптивним радіоканалом зв’язку при змінних параметрах в каналах радіозв’язку і радіоуправління; в [8] досліджена фазі-система управління потужністю передавача в каналі тропосферного радіозв’язку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародній науково-практичній конференції “Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании “ИНФОТЕХ-2004”” (м. Севастополь, 20-25 вересня 2004 р.), на міжнародній науково-методичній конференції “Актуальні проблеми розвитку інформаційно-комунікаційних технологій навчання у напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського простору” (м. Київ, ДУІКТ, 21-22 жовтня 2004р.), на міжнародній науково-практичній конференції „Современные информационные и электронные технологии” (м. Одеса, 23-27 травня 2005р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 наукових праць в журналах, затверджених ВАК України як фахові видання з технічних наук, та 2 статті у матеріалах міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний об'єм роботи 140 сторінок, у тому числі 60 рисунків та 4 таблиці, 6 сторінок використаних джерел.

На захист виносяться:

- математичні моделі адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, які включають нечіткі регулятори;

- методика параметричного синтезу цифрових нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів;

- результати математичного моделювання цифроаналогових адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП із синтезованими цифровими регуляторами.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її місце серед інших робіт у даній галузі науки, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Приведені дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача та відомості про публікації за темою дисертації.

Перший розділ присвячений порівняльному аналізу та тенденціям розвитку адаптивних систем радіозв’язку провідних країн світу. Розглянуто загальну характеристику та структуру адаптивного радіоканалу зв’язку, а також використання нечіткої логіки при розробці систем адаптивного управління радіоканалом зв’язку. Визначено, що найбільшу ефективність радіозв’язку можуть забезпечити лише динамічні системи, які узгоджують свої параметри з характеристиками каналів, пристосованими до умов зв’язку, які змінюються, за допомогою вимушеного регулювання (управління) своїх параметрів або структури з метою підвищення якості зв’язку. Визначено, що одним із ефективних методів боротьби із швидкими замираннями з метою підвищення надійності та економічності зв’язку, є використання систем автоматичного регулювання потужності передавачів (АРПП). Застосування систем АРПП дозволяє суттєво зменшити середню потужність випромінювання, збільшити прихованість зв’язку, більш якісно вирішувати задачі електромагнітної сумісності різних радіозасобів. Тому застосування системи АРПП в процесі радіозв’язку є доцільним та актуальним.

У другому розділі приведено характеристики швидких замирань сигналу та класифікація методів боротьби з ними в аналогових та цифрових системах радіопередавання. Визначено, що основними методами боротьби із замираннями є методи рознесеного, оптимального та адаптивного прийому. При методі рознесеного прийому запропоновано застосувати просторове, частотне та кутове рознесення. Після отримання копій сигналів застосовано їх лінійне комбінування, яке розділяють на лінійне та оптимальне додавання та автовибір. При оптимальному прийомі використано широкосмугові складові сигнали в автокореляційних та взаємокореляційних системах. Метод адаптивного прийому оснований на використанні замкнутих систем автоматичного регулювання потужності передавача АРПП та системи оптимального маневрування у смузі частот СОМЧ. Адаптивний прийом сигналів оснований на можливості вимірювання характеристик каналу передавання сигналів та використанні отриманих даних для регулювання параметрів передаваємого сигналу.

У третьому розділі представлена удосконалена методика параметричного синтезу нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів. В якості алгоритму одержання вихідного параметру нечіткого регулятора вибрано алгоритм Мамдані. Особливістю методики синтезу нечіткого регулятора є те, що на вхід нечіткого регулятора подаються три лінгвістичні змінні - похибка системи , швидкість зміни (перша похідна) похибки , прискорення (друга похідна) похибки , які якісно характеризуються (з метою спрощення розрахунків) тільки двома терм-множинами (лінгвістичними величинами): негативна - 1, позитивна - 2. Дані терм-множини описуються на універсальній множині відповідно двома функціями приналежності ФП: та . ФП визначає ступінь приналежності кожного елемента множині числом між 0 і 1. Функції та повинні бути симетричними одна відносно одної та перетинатися при значенні . Крім того, функція вибрана спадаючою, а - зростаючою. Для спрощення нормування (перерахунку значень сигналів у значення елементів єдиної універсальної множини) діапазони зміни вхідних та вихідного сигналів (параметрів нечіткого регулятора) прийняті симетричними.

На універсальній множині U=[0,1] задаються дві нечітких підмножини, функції приналежностей (ФП) яких мають трикутну форму: µ1(u)= 1-u, u є[0,1]; µ2(u)=u, u є[0,1] (трикутні функції приналежності найбільш прості і, як показує практика, найбільш ефективні для систем автоматичного регулювання).

При надходженні на нечіткий регулятор (НР) значень вхідних змінних , і з кроком квантування h здійснюється розрахунок величин

для яких розраховуються значення ФП.

Формулюється лінгвістичне правило управління (робоче правило) нечіткого регулятора у вигляді: Якщо і і , то , , де , і – лінгвістичні оцінки похибки, швидкості зміни (першої похідної) похибки і прискорення (другої похідної) похибки розглянуті як нечіткі множини, визначені на універсальній множині; - лінгвістичні оцінки управляючої дії на об'єкт, обрані з терм-множин змінної m. Лінгвістичні оцінки вибираються з терм-множин лінгвістичних змінних , , і : { негативний (1), позитивний (2) }.

Іншими словами, всі сигнали (визначені вище лінгвістичні змінні) в системі автоматичного управління характеризуються як негативні (j =1) або позитивні (j =2).

Нехай - функція приналежності параметра нечіткому терму , . Тоді, – залежна від трьох змінних () функція приналежності вектора параметрів розв’язку (обраному управляючому впливу на об'єкт) , визначається із системи нечітких логічних рівнянь:

. (1)

Результуюча функція приналежності для управляючого впливу відповідно до робочого правила НР записується у вигляді

=. (2)

У виразах (1) і (2) - логічне і, - логічне чи.

Відповідно до лінгвістичних правил управління, формалізованих системою нечітких логічних рівнянь (1), функція приналежності управляючого впливунечіткій множині “негативний” обмежена зверху значенням А, а функція приналежності управляючого впливу нечіткій множині „позитивний” обмежена зверху значенням В:

A=, (3)

B=. (4)

Результуюча функція приналежності для управляючого впливу на представлена у вигляді:

=max[,]. (5)

Для визначення конкретного значення управлячого впливу формується “результуюча фігура”, обмежена результуючою ФП. Проводиться пошук абсциси “центра тяжіння” результуючої фігури . Отримане значення перетвориться в значення управляючого впливу на об'єкт управління

. (6)

На основі інтерактивної системи MATLAB описана повна структурна схема нечіткого регулятора, яка розроблена з урахуванням вказаних особливостей синтезу.

У четвертому розділі представлені результати дослідження систем АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, і з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, методом математичного моделювання в середовищі інтерактивної системи MATLAB при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультіпликативних так і адитивних завад (рис.1-4).

Рис.1 - Модель системи АРПП з атенюатором, що Рис.2 - Модель системи АРПП з електронним

перестроюється двигуном, при наявності атенюатором, що перестроюється сигналом

мультиплікативних завад управління, при наявності мультиплікативних завад

Рис.3 - Модель системи АРПП з атенюатором, що Рис.4 - Модель системи АРПП з електронним

перестроюється двигуном, при наявності атенюатором, що перестроюється сигналом

адитивних завад управління, при наявності адитивних завад

Математичні моделі системи АРПП, яка складені в інтерактивній системі MATLAB, включають модель атенюатора (Attenuator), моделі ідеальних радіоланок (R1 та R2), структурну схему нечіткого регулятора (Controller). Двигун з механізмом регулювання (Engine), за допомогою якого перестроюється потужний атенюатор, має передаточну функцію , де постійна часу двигуна . Кожна ідеальна радіоланка R1 та R2 з урахуванням тільки запізнювання сигнала у середовищі розповсюдження та фільтра приймача описується передаточною функцією . Потужність на виході передавача, яка регулюється атенюатором, виражається наступною нелінійною залежністю ( - потужність генератора СВЧ-коливань, - сигнал на вході атенюатора)

а) а)

б) б)

в) в)

Рис.5 Рис. .6

Процеси в системі АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, при наявності мультиплікативних завад (див. рис.1 з помножувачем Product) відображаються на індикаторах Fadings (затухання), Error (похибка), Р (потужність), m (управляюча дія) та для ступінчатих і синусоїдальних замирань представлені відповідно на рис.5 та рис.6.

Процеси в системі АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, при наявності адитивних завад (див. рис.3 із cуматором Sum) відображаються на індикаторах Fadings (затухання), Error (похибка), Р (потужність), m (управляюча дія) та для ступінчатих і синусоїдальних замирань представлені відповідно на рис.7 та рис.8.

а) а)

б) б)

в) в)

г) г)

Рис.7 Рис.8

По осях ординат на рисунках відкладені відносні одиниці, але для реальних систем потужність Р буде вимірюватися в ваттах, а управляючі дії m в вольтах.

Встановлено, що максимальні поточні похибки в системі АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, майже на порядок менше максимальних поточних похибок в системі АРПП з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, і майже на два порядка менше, ніж в системі без нечіткого регулятора. В системах АРПП при впливі адитивних завад максимальна поточна похибка менше, ніж ця ж похибка при впливі мультиплікативних завад, і, що особливо важливо, максимальна поточна похибка при збільшенні амплітуди замирань U при впливі адитивних завад зростає значно менше, ніж при впливі мультиплікативних завад. Застосування нечіткого регулятора в системі АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, дозволяє зменшити максимальні поточні похибки в 60...80 разів, порівняно з системою АРПП, в якій використовується зворотній зв’язок без нечіткого регулятора. При зменшенні відношення сигнал/шум на 50% система АРПП без нечіткого регулятора скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 34% при впливі мультиплікативних завад і до 24% при впливі адитивних завад, система АРПП з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, та нечітким регулятором скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 4,5% при впливі мультиплікативних завад та до 2,6% при впливі адитивних завад, а система АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, і нечітким регулятором скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 0,55% при дії мультиплікативних завад і до 0,25% при дії адитивних завад. Тому якість прийому, що визначається відношенням сигнал/шум на вході радіоприйомного пристрою, при використанні систем АРПП з нечітким регулятором навіть при великих замираннях сигналу практично не погіршується, оскільки система АРПП з нечітким регулятором відновлює відношення сигнал/шум на вході радіоприйомного пристрою практично до попереднього рівня.

Далі в роботі проаналізовані зміни максимальної поточної похибки від ступеня замирань: 1. При використанні системи АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна. 2. При використанні системи АРПП з електронним аттенюатором, що перестроюється сигналом управління. 3. При використанні системи АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, без нечіткого регулятора.

Запропонована математична модель адаптивного радіоканалу зв’язку на основі системи АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, в якій радіопередавальний пристрій випромінює НВЧ-сигнал на різних частотах, автоматично вибираючи ту частоту, на якій завадовий стан в середовищі розповсюдження найкращий.

Досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП. Запропоновано ефективний засіб, який дозволяє практично повністю виключити вплив адитивних завад в каналі радіоуправління на основі застосування блоку компенсації, який представляє собою радіоприймач вимірювання, що ідентифікує (вимірює) адитивні завади в середовищі розповсюдження радіохвиль каналу радіоуправління.

ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень, сформульованих і обгрунтованих у дисертаційній роботі, складає рішення задачі підвищення якості (зменшення динамічних похибок і підвищення швидкодії) цифроаналогових адаптивних радіоканалів зв’язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП шляхом застосування цифрових нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів.

Основними результатами роботи є розробка математичних моделей адаптивних радіоканалів зв'язку – фазі-систем (систем з нечіткими регуляторами) автоматичного регулювання потужності передавача АРПП; удосконалення методики параметричного синтезу нечітких (що працюють на базі нечіткої логіки) регуляторів; розробка основної моделі нечіткого регулятора з описом її функціонування і шляхом моделювання фазі - систем отримання оптимальних параметрів нечітких регуляторів, при яких системи забезпечують максимальну динамічну точність та швидкодію; результати досліджень методом математичного моделювання адаптивних радіоканалів зв'язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача АРПП, які включають нечіткі регулятори.

У дисертації отримані такі теоретичні і науково-практичні результати:

1. Виконано аналіз адаптивних систем радіозв’язку і показано, що одним із ефективних методів боротьби із замираннями сигналів є метод адаптивного прийому, коли для передавання інформації про стан прямого тракту та відповідної зміни параметрів сигналу передавання використовується канал зворотнього зв’язку.

2. Запропоновано методику параметричного синтезу цифрового нечіткого регулятора. На основі інтерактивної системи MATLAB описана повна структурна схема нечіткого регулятора, яка розроблена з урахуванням вказаних особливостей синтезу. В якості алгоритму одержання вихідного параметру нечіткого регулятора вибрано алгоритм Мамдані.

3. Запропоновані математичні моделі систем АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, і з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, в яких управління потужністю радіопередавального пристрою здійснюється нечітким (що працює на базі нечіткої логіки) регулятором.

4. Проведено дослідження систем АРПП з атенюатором, що перестроюється двигуном, і з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, методом математичного моделювання в середовищі інтерактивної системи MATLAB при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультиплікативних, так і адитивних завад за умови ідеального радіоканалу управління.

5. Встановлено, що максимальні поточні похибки в системі АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, майже на порядок менше максимальних поточних похибок в системі АРПП з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, і майже на два порядка менше, ніж в системі без нечіткого регулятора.

6. Показано, що в системах АРПП при впливі адитивних завад максимальна поточна похибка менше, ніж ця ж похибка при впливі мультиплікативних завад, і, що особливо важливо, максимальна поточна похибка при збільшенні амплітуди замирань U при впливі адитивних завад зростає значно менше, ніж при впливі мультиплікативних завад.

7. Встановлено, що застосування нечіткого регулятора в системі АРПП з потужним атенюатором, перестроюємим за допомогою двигуна, дозволяє зменшити максимальні поточні похибки приблизно на два порядка, порівняно з системою АРПП, в якій використовується зворотній зв’язок без нечіткого регулятора.

8. Встановлено, що при зменшенні відношення сигнал/шум на 50% система АРПП без нечіткого регулятора скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 34% при впливі мультиплікативних завад і до 24% при впливі адитивни завад, система АРПП з електронним атенюатором, що перестроюється сигналом управління, та нечітким регулятором скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 4,5% при впливі мультиплікативних завад та до 2,6% при впливі адитивних завад, а система АРПП з потужним атенюатором, що перестроюється за допомогою двигуна, і нечітким регулятором скорочує зменшення відношення сигнал/шум приблизно до 0,55% при дії мультиплікативних завад і до 0,25% при дії адитивних завад. Тому якість прийому, що визначається відношенням сигнал/шум на вході радіоприймального пристрою, при використанні систем АРПП з нечітким регулятором навіть при великих замираннях сигналу практично не погіршується, оскільки система АРПП з нечітким регулятором відновлює відношення сигнал/шум на вході радіоприймального пристрою практично до попереднього рівня.

9. Показано, що в системі АРПП з потужним атенюатором, перестроюємим за допомогою двигуна, при різних степенях замирань як при мультиплікативній заваді, так і при адитивній заваді із збільшенням періоду замирань максимальні поточні похибки зменшуються. В системі АРПП з електронним аттенюатором, що перестроюється сигналом управління, максимальні поточні похибки від періоду замирань не залежать, а залежать лише від степені (глибини) замирань.

10. Запропонована математична модель адаптивного радіоканалу зв’язку на основі системи АРПП з потужним атенюатором, перестроюємим за допомогою двигуна, в якій радіопередавальний пристрій випромінює сигнал на різних частотах, автоматично вибираючи ту частоту, на якій завадовий стан в середовищі розповсюдження найкращий.

11. Встановлено, що при перевищенні співвідношенням сигнал/шум порогового рівня система зменшує потужність на виході передавача, забезпечуючи рівність співвідношення сигнал/шум пороговому рівню і тим самим зменшуючи енергетичні витрати.

12. Досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП. Запропоновано ефективний засіб, який дозволяє практично повністю виключити вплив адитивних завад в каналі радіоуправління на основі застосування блоку компенсації, який представляє собою радіоприймач вимірювання, що ідентифікує (вимірює) адитивні завади в середовищі розповсюдження радіохвиль каналу радіоуправління.

Достовірність отриманих наукових результатів забезпечується коректним використанням сучасної теорії систем управління на базі нечіткої логіки та математичного моделювання систем АРПП з нечіткими регуляторами на основі інтерактивної системи MATLAB.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бережний О.М., Ананьїн О.В., Францевич О.М. Структура адаптивної радіолінії зв’язку // Збірник наукових праць військового інституту телекомунікацій та інформатизації національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”. – 2004, Вип. №4. – С.11-15.

2. Гостев В.И., Ананьин О.В., Францевич О.Н. Оценка робастности системы автоматического регулирования мощности передатчика в радиоканале связи // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2004. – Т.2, №4. – С.192-195.

3. Гостев В.И., Кунах Н.И., Францевич О.Н. Система автоматического регулирования мощности передатчика в радиоканале связи // Вісних Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2004. – Т.2, №2.- С.105-109.

4. Гостев В.И., Кунах Н.И., Яременко В.Н., Францевич О.Н. Фаззи-система автоматического управления адаптивным радиоканалом связи // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.- 2004.- Т.2, №3.- С.125-130.

5. Францевич О.М., Ананьин О.В. Вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.- 2005.- Том 3, №1.- С.20-25.

6. Gostev V.I., Chuprin A.Ye, Frantsevich O.N. Synthesis of the fuzzy controller of the system of a frequency lock loop // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.- 2003.- Том 1, №1.- С.18-22.

7. Гостев В.И., Кунах Н.И., Францевич О.Н. Оценка робастности систем автоматического управления адаптивным радиоканалом связи // Матеріали міжнародної науково-методичної конференції „Актуальні прпоблеми розвитку інформаційно-комунікаційних технологій навчання у напрямку інтеграції вищої освіти України до єдиного Європейського простору”: Київ, 21-22 жовтня 2004р.: Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, 2004. С.40-43.

8. Гостев В.И., Кунах Н.И., Францевич О.Н. Фаззи-система управления мощностью передатчика в канале тропосферной радиосвязи // Материалы международной научно-практической конференции „Информационные технологии и информационная безопасность в науке, технике и образовании „ИНФОТЕХ-2004””, 20-25 сентября 2004, Севастополь.-НТО РЭС Украины, 2004.- С.44-48.

АНОТАЦІЇ

Францевич О.М. Математичні моделі адаптивного радіоканалу зв’язку з системами регулювання потужності передавача на базі нечіткої логіки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 – радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, м.Київ, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню адаптивних радіоканалів зв’язку з системами автоматичного регулювання потужності передавача (АРПП), розробці фазі-систем АРПП, а також моделей замирань як мультиплікативних так і адитивних завад. Запропоновано методику параметричного синтезу цифрового нечіткого регулятора. На основі інтерактивної системи MATLAB описана повна структурна схема нечіткого регулятора, яка розроблена з урахуванням вказаних особливостей синтезу. Розроблені математичні моделі систем АРПП з атенюатором, перестроюємим двигуном, і з електронно управляємим атенюатором, в яких управління потужністю радіопередавального пристрою здійснюється нечітким (що працює на базі нечіткої логіки) регулятором. Проведено дослідження систем АРПП з атенюатором, перестроюємим двигуном, і з електронно управляємим атенюатором методом математичного моделювання в середовищі інтерактивної системи MATLAB при моделюванні замирань в середовищі розповсюдження радіохвиль як мультиплікативних, так і адитивних завад за умови ідеального радіоканалу управління. Запропонована математична модель адаптивного радіоканалу зв’язку на основі системи АРПП з потужним атенюатором, перестроюємим за допомогою двигуна, в якій радіопередавальний пристрій випромінює СВЧ-сигнал на різних частотах, автоматично вибираючи ту частоту, на якій завадовий стан в середовищі розповсюдження найкращий. Досліджено вплив замирань в каналі радіоуправління на роботу системи АРПП. Запропоновано ефективний засіб, який дозволяє практично повністю виключити вплив адитивних завад в каналі радіоуправління на основі застосування блоку компенсації, який представляє собою радіоприймач вимірювання, що ідентифікує (вимірює) адитивні завади в середовищі розповсюдження радіохвиль каналу радіоуправління.

Ключові слова: адаптивний радіоканал зв’язку, потужність, нечітка логіка, цифровий нечіткий регулятор, якість, замирання, синтез, математична модель, математичне моделювання, фазі-система.

Францевич О.Н. Математические модели адаптивного радиоканала связи с системами регулирования мощности передатчика на базе нечеткой логики. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 – радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, г.Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию адаптивных радиоканалов связи с системами автоматического регулирования мощности передатчика (АРМП), разработке фаззи-систем АРМП, а также моделей замираний как мультипликативных так и аддитивных помех. Предложено усовершенствованную методику параметрического синтеза цифрового нечеткого регулятора. Методика параметрического синтеза нечеткого регулятора отличается тем, что синтез осуществляется путем оптимизации диапазонов изменения входных переменных и параметров функций принадлежности. В качестве входных переменных приняты, кроме ошибки системы, первая и вторая производные ошибки, а для функций принадлежности используются только две лингвистические оценки. На основании интерактивной системы MATLAB описана полная структурная схема нечеткого регулятора, разработанная с учетом указанных особенностей синтеза. Настройка нечеткого регулятора производится изменением значений диапазонов входных и выходной переменных для получения необходимого качества системы управления. Предложены математические модели систем АРМП с аттенюатором, перестраиваемым двигателем, и с электронно управляемым аттенюатором, в которых управление мощностью радиопередающего устройства осуществляется нечетким (работающим на базе нечеткой логики) регулятором. Проведено исследование систем АРМП с аттенюатором, перестраиваемым двигателем, и с электронно управляемым аттенюатором методом математического моделирования в среде интерактивной системы MATLAB при моделировании замираний в среде распространения радиоволн как мультипликативных, так и аддитивных помех при условии идеального радиоканала управления. В результате исследований установлено, что максимальные текущие ошибки в системе АРМП с мощным аттенюатором, перестраиваемым с помощью двигателя, почти на порядок меньше максимальных текущих ошибок в системе АРМП с электрически управляемым аттенюатором СВЧ, и почти на два порядка меньше, чем в системе без нечеткого регулятора. В системах АРМП при вплиянии аддитивных помех максимальная текущая ошибка меньше, чем эта же ошибка при влиянии мультипликативных помех, и, что особенно важно, максимальная текущая ошибка при увеличении амплитуды замираний U при влиянии аддитивных помех возростает значительно меньше, чем при влиянии мультипликативных помех. Предложена математическая модель адаптивного радиоканала связи на базе системы АРМП с мощным аттенюатором, перестраиваемым с помощью двигателя, в которой радиопередающее устройство излучает СВЧ-сигнал на разных частотах, автоматически выбирая ту частоту, на которой наименьшие помехи в среде распространения. Исследовано влияние замираний в канале радиоуправления на работу системы АРМП и предложен эффективный способ компенсации замираний. На основании научных результатов, полученных в диссертационной работе, можно проектировать микропроцессорные адаптивные радиоканалы связи с фаззи-системами автоматического регулирования мощности передатчика, обладающие повышенными показателями качества. Практическую ценность представляет усовершенствованная методика параметрического синтеза цифровых нечетких регуляторов.

Ключевые слова: адаптивный радиоканал связи, мощность, нечеткая логика, цифровой нечеткий регулятор, качество, замирания, синтез, математическая модель, математическое моделирование, фаззи-система.

Frantsevich O.N. Mathematical models of an adaptive radio communication channel with regulating systems of power of transmitter on the basis of fuzzy logic. – the Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.12.13 - radio engineering devices and tools of telecommunications.

State University of Information and Communication Technologies. Kiev, 2005.

Thesis is devoted to a research of adaptive radio communication channels with systems of automatic control of power of transmitter (ACPT), development of fuzzy-systems ACPT, and also models of fadings both multiplicative and additive distorting actions. It is offered a procedure of parametric synthesis of the digital fuzzy controller. On the basis of an interactive system MATLAB the complete skeleton diagram of the fuzzy controller is circumscribed which is developed in view of indicated singularities of synthesis. The mathematical models of ACRT -systems, in which the control of power of the radio-transmitting device is carried out by fuzzy controller (which operating on the basis of fuzzy logic), are developed with an attenuator adjusted by motor and an attenuator with electronic tuning. The research of ACRT-systems with an attenuator adjusted by motor and an attenuator with electronic tuning is carried out by a method of mathematical simulation in interactive system MATLAB at simulation of fadings in a medium of a radio propagation as multiplicative, so additive distorting actions under condition of ideal radio control channel. The mathematical model of an adaptive radio communication channel, in which the radio-transmitting device radiates a MICROWAVE-signal on different frequencies, automatically is sampled of frequency, on which distorting actions are smallest in a medium of propagation, is offered on the basis of a ACRT-system with a powerful attenuator adjusted by a motor. The influence of fadings in the channel of a radio control on ACRT-system operation is probed. The effective method is offered which allows practically completely to eliminate influence of additive distorting actions in the channel of a radio control on the basis of usage of the block of compensating, which represent by itself radio receiver of measurement, that identifies (meters) additive distorting actions in a medium of a radio propagation of the channel of a radio control.

Keywords: an adaptive radio communication channel, power, fuzzy logic, digital fuzzy controller, quality, fadings, synthesis, mathematical model, mathematical simulation, fuzzy-system.